Anuncio de los Resultados

Basada en la mecánica computacional, la optimización topológica define el equilibrio óptimo entre resistencia a la flexión y alta capacidad de inyección.

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Hemos utilizado-mecánica computacional y tecnologías de optimización de topología de vanguardia para definir con éxito la "frontera óptima de Pareto" para el rendimiento de estructuras de tubos rígidos con ranuras. En base a esto, hemos desarrollado la plataforma de diseño inteligente "OptiSlot" y sus productos relacionados. Esta plataforma puede generar automáticamente patrones de ranuras óptimos únicos de acuerdo con restricciones objetivo específicas, como resistencia axial, coeficiente de resistencia a la flexión, rigidez torsional y peso. Como resultado, los tubos rígidos con ranuras producidos por esta plataforma tienen un rendimiento mecánico integral superior en más de un 40% al de los diseños empíricos tradicionales, logrando un equilibrio preciso sin precedentes entre resistencia a la flexión y fuerza de inyección axial.

Desafíos de los antecedentes de la investigación y el desarrollo

En el diseño de estructuras de tubos rígidos, los ingenieros se han basado durante mucho tiempo en fórmulas empíricas y métodos de prueba-y-error para definir los parámetros de ranurado (como la longitud y el ancho de la ranura, el espaciado y el ángulo). Este enfoque no sólo es ineficiente sino que también es difícil evaluar cuantitativamente las diferencias de rendimiento entre diferentes diseños y no puede explorar diseños potenciales que se acerquen al límite teórico. Como resultado, los diseños tienden a ser demasiado conservadores, ya sea sacrificando demasiado espacio interno por seguridad o introduciendo riesgos de flexión al buscar la fuerza de inyección máxima. Clínicamente, existen importantes variaciones entre lotes-a-lotes y puntos ciegos de diseño en la "sensación" y la confiabilidad de los dispositivos. La falta de una metodología de diseño sistemática y basada en la física-es la razón fundamental del estancado rendimiento del producto y del grave problema de homogeneidad.

Innovación Tecnológica Central

• Plataforma de integración de optimización multiobjetivo y elementos finitos paramétricos:Hemos desarrollado un entorno de diseño integrado con derechos de propiedad intelectual independientes, que combina perfectamente el modelado geométrico paramétrico, el análisis de elementos finitos no lineal (FEA) y el algoritmo genético multi-objetivo (MOGA). Los usuarios solo necesitan ingresar el diámetro exterior, el espesor de la pared, las propiedades del material y el rango objetivo de rendimiento esperado (como la fuerza mínima de falla por compresión, el ángulo de flexión máximo permitido, la rigidez torsional mínima), y la plataforma puede optimizar automáticamente entre miles de diseños posibles. El algoritmo toma la rigidez axial, la resistencia a la flexión lateral, la eficiencia de la transmisión torsional, el peso, etc. como objetivos de optimización y finalmente genera una serie de soluciones no dominadas (es decir, esquemas de diseño que no se pueden mejorar en un aspecto sin dañar otro) en el "frente de Pareto", que los ingenieros pueden seleccionar según la prioridad.
• Base de datos de tragamonedas entrelazadas biónicas y no-uniformes:Rompiendo la mentalidad tradicional y uniforme de las tragamonedas rectas, hemos creado una base de datos que contiene docenas de tipos avanzados de tragamonedas. Estos tipos de ranuras están inspirados en estructuras naturales anti-flexión, como las articulaciones de bambú, las capas corticales de los huesos, el sistema de tubos Havercus, etc. Incluyendo, entre otros: ranuras espaciadoras que cambian gradualmente, ranuras de difusión de tensión en forma de arco-, ranuras de ramificación fractal, ranuras torsionales asimétricas, etc. patrones.
• Acoplamiento de restricciones de fabricación y verificación de productividad:Durante el ciclo de optimización, incorporamos de forma innovadora el "Módulo de restricciones de fabricación". Este módulo evalúa la capacidad de fabricación de cada diseño generado en tiempo real, incluida la viabilidad del corte por láser (como el radio mínimo del ángulo interno, evitando la acumulación de calor), la accesibilidad de las herramientas de pulido y si generará rebabas difíciles-de-eliminar. El algoritmo de optimización evitará automáticamente diseños poco prácticos, asegurando que cada solución óptima sea un "óptimo fabricable", pasando directamente del espacio digital a la línea de producción y eliminando la "charla en papel".

Mecanismo de acción

La filosofía de diseño de la plataforma OptiSlot es "guiar la tensión, no oponerse a la tensión". Los patrones de ranuras generados planifican esencialmente la ruta de transmisión más eficiente y suave para las fuerzas internas (flujo de tensión) del tubo bajo cargas complejas. Mediante simulación de mecánica computacional, la plataforma identifica con precisión la "cadena de fuerza" que soporta la carga principal bajo presión axial, así como las "áreas débiles" propensas a pandearse bajo fuerzas laterales. Las ranuras optimizadas retendrán suficientes materiales de "puente" continuos a lo largo del camino de la "cadena de fuerza", como una carretera principal sólida; mientras que en las "áreas débiles" o zonas que no -cargan primariamente-, se introducen estratégicamente formas y direcciones específicas de las ranuras. Estas ranuras son como "uniones flexibles" o "absorbentes de energía" cuidadosamente diseñadas, que permiten que el material experimente una deformación elástica pequeña y controlable, disipando así la energía del impacto y evitando que la inestabilidad local se propague hasta un colapso total. Este diseño de gestión activa basado en el campo de tensión- logra la utilización más económica y efectiva de la distribución de materiales.

Verificación de eficacia

Al comparar el diseño de ranura uniforme tradicional con el diseño optimizado OptiSlot, las diferencias son significativas: si bien se cumple la misma resistencia a fallas por compresión (como 1000 N), el peso del cuerpo del tubo en el diseño optimizado se reduce en promedio en un 18 % o el diámetro interior se puede expandir en un 15 %. En la prueba de flexión de tres-puntos, al alcanzar la misma deflexión, la carga que soporta el cuerpo del tubo de diseño optimizado es un 25%-50% mayor que la del diseño tradicional. Más importante aún, el modo de falla del diseño optimizado es más "suave", lo que se manifiesta como una fluencia progresiva y en múltiples etapas, en lugar de una fractura repentina, lo que proporciona una valiosa retroalimentación y tiempo de reacción para el operador. En una aplicación para herramientas de implantes de fusión espinal, la funda guía diseñada con OptiSlot tenía un error de ángulo de torsión de una reducción del 60 % bajo el torque máximo simulado del implante en comparación con antes, y la respuesta del cirujano fue que tenía una sensación "más suave", era más predecible y la confianza al operar el instrumento aumentó significativamente.

Estrategia y filosofía de investigación y desarrollo

Nuestra estrategia principal es "el diseño impulsa el rendimiento, la simulación reemplaza la prueba y el error". Consideramos las tecnologías avanzadas de optimización y simulación computacional como el "supermicroscopio" y el "motor acelerador" para el desarrollo de nuevos dispositivos médicos en la nueva era. Hemos invertido mucho en la creación de clústeres informáticos de alto-rendimiento y hemos cultivado un equipo profesional que abarca mecánica sólida, matemáticas computacionales e ingeniería de software. Nuestra filosofía es: el verdadero diseño innovador a menudo se encuentra en el vasto espacio más allá de la intuición y la experiencia humanas, y los algoritmos de optimización inteligentes basados ​​en la física-son la mejor guía para explorar este territorio desconocido. Estamos comprometidos a liberar a los ingenieros del trabajo repetitivo basado en la experiencia-, permitiéndoles centrarse en definir requisitos de rendimiento y problemas clínicos más avanzados-, mientras dejamos la tarea de encontrar la solución óptima a los incansables algoritmos inteligentes.

Perspectivas futuras

En el futuro, la optimización estructural pasará de estática a dinámica y de componentes aislados a integración de sistemas. Estamos desarrollando la tecnología de "optimización de topología en tiempo real-, que puede ajustar dinámicamente la distribución de rigidez local del instrumento en función de los datos de navegación en tiempo real-durante la operación (como la fuerza de contacto entre el instrumento y el hueso, y la impedancia del tejido). Al mismo tiempo, ampliaremos el alcance de la optimización desde un solo cuerpo de tubo a todo el sistema de instrumentos, incluidas las interfaces de conexión entre el cuerpo del tubo y el mango proximal y el cabezal de trabajo distal, para lograr la optimización del rendimiento mecánico a nivel del sistema. La visión adicional es establecer un "mercado de diseño en la nube", donde los médicos o las empresas de instrumentos puedan presentar sus paquetes de requisitos de rendimiento. Nuestra plataforma en la nube devolverá múltiples esquemas de diseño optimizados virtual-verificados e informes de predicción de rendimiento relacionados en unas pocas horas, lo que acelerará significativamente el proceso desde el concepto hasta el prototipo de instrumentos innovadores y promoverá la llegada de la era de los instrumentos quirúrgicos personalizados.